人工湿地水质净化机理与生态工程研究进展

第36卷第3期 湖南农业大学学报(自然科学版) Vol.36 No.3 2010年6月 Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences) Jun ．2010 DOI:10.3724/SP.J.1238.2010.00356

人工湿地水质净化机理与生态工程研究进展

蒋廷杰1a ，齐增湘1b ，罗军2，甘德欣摘 要：在阐述人工湿地净化污水机理的基础上，综述近年来国内外出现的各种新型污水生态处理技术：构建

复合人工湿地系统、蚯蚓生态滤池、生物栅与生物浮岛、生态砾石床技术和人工水草生态净化技术．

1b*

(1.湖南农业大学a.科学技术处；b.园艺园林学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省森林植物园，湖南 长沙 410116)

关键词：人工湿地；污水净化；机理；生态工程

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：1007-1032(2010)03-0356-07

Mechanism of sewage purification and study progress of ecological engineering in constructed wetland

JIANG Ting-jie 1a , QI Zeng -xiang 1b , LUO Jun 2, GAN De-xin

1b*

(1.a.Department of Science and Technology; b.College of Horticulture and Landscape, HNAU, Changsha 410128, China; 2.Hunan Forestry Botanical Garden, Changsha 410116, China)

Abstract ：Based on the sewage purification mechanism of constructed wetland, the new sewage purification methods using ecological engineering technology which appeared recently at home and abroad were summarized as follows: It is essential to establish compound constructed wetland systems, earthworm ecology filter ponds, bio-railings and biological floating island with eco-gravel-bed technology and artificial plants purification technology as well. Key words ：constructed wetland; sewage purification; mechanism; ecological engineering

国际湿地公约(Ramsar 公约) 将湿地定义为：“湿地是指不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水，包括低潮时水深不超过6 m 的海水水域”[1]．湿地是一类既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，是水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域．该系统与周围相邻的系统有密切关系，与它们发生物质和能量交换[2]．湿地具有重要的生态服务功能：涵养水源、孕育生境、调节气候、湿润空气、净化环境、维持生物多样性，以及提供教育、科研、旅游及文化服务场所等．另外还有在城市水循环中的排毒功能(滞

留与降解污染物、吸纳多余的营养物)和洪水调蓄功能，被誉为“地球之肾”[3]人工湿地(constructed wetland)是人们仿照自然湿地设计、建造，且可控制和工程化的水生生态系统．

[4]，一般由人工基质(如土壤、碎石、卵石等)、特定的水生植物(如芦苇、菖蒲、水葱等)、特定的水生动物(如鱼、蛙、水生软体动物等)等组成，是一种独特的“土壤—植物—动物—微生物—水体”生态系统[5]，具备水质净化与环境美化双重功能．研究表明，人工湿地能够利用复合生态系统，通过物理、化学和生物三重协调作用来实现对污水的高效净化．笔者综述了有关人工湿地土壤(基质)、湿地

收稿日期：2009-11-24

基金项目：湖南省科学技术厅项目(2008FJ3048)；湖南省自然科学基金项目(08JJ6021)；湖南农业大学青年科学基金项目(07QN41) 作者简介：蒋廷杰(1973—)，男，湖南道县人，硕士，高级农艺师，从事园艺栽培、农业生态和科技管理工作，jtj8273@ ；﹡通讯作者，dexingan@

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植物、微生物和水生动物对于污水净化的机理研究进展，对人工湿地生态工程技术的最新进展和应用进行了展望．

1 人工湿地水质净化机理

人工湿地对污水的作用机理十分复杂．一般认为，人工湿地生态系统是通过物理、化学及生物三重协同作用净化污水．物理作用主要是过滤、截留污水中的悬浮物，并沉积在基质中；化学反应包括化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗和氧化还原反应等；生物作用则是指微生物和水生动物在好氧、兼氧及厌氧状态下，通过生物酶将复杂大分子分解成简单分子、小分子等，实现对污染物的降解和去除．

1.1 基质净化机理

人工湿地中的基质由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质中的一种或几种所构成，是湿地植物的直接支撑者，为植物和微生物提供营养，具有巨大的比表面积，易形成生物膜，污水流经颗粒表面时，污染物通过沉淀、过滤、吸附作用被截留[6]，不同的基质有不同的处理能力[7-8]．湿地基质的类型、结构和肥力状况直接决定湿地植物的类型、数量和质量，并通过食物链影响湿地动物的类群、生长和发育，最终影响湿地生态系统的物质生产．基质也是湿地微生物、水生动物的生活场所，在基质颗粒的周围形成生物膜，通过提供能源和适宜的厌氧条件加强氮的转化．研究表明,在不考虑植物因素的条件下,经过湿地处理的模拟生活污水的COD、BOD5、TSS、总氮、总磷等污染物浓度下降，水质得到改善[9]．研究还表明，选择合适的人工湿地基质材料和厚度，对提高人工湿地净化能力至关重要[9-11]

1.2 植物净化机制

．

植物是湿地中最重要的去污成分之一，在人工湿地净化污水的过程中起着重要作用．根据植物对污水净化机理的差别，可分为直接净化作用和间接净化作用．直接净化作用是指植物通过吸收、吸附和富集等作用直接去除污水中污染物[12]．间接净化作用是指植物根、茎输送氧气，增强和维持基质的水力传输，影响水力停留时间，通过根系巨大的表面积创造利于各种微生物生长的微环境[8,13-14]

1.2.1 直接净化作用

．植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等，供其生长发育．湿地植物对氮的去除作用主要是：氨的挥发作用、NH4+的阳离子交换作用、吸收、硝化和反硝化作用等．科学家研究认为，通过植物根部根毛周围充满氧气的液体薄膜中的好氧微生物的硝化作用，可将NH4+转化成气体，释放到大气中．除此之外，植物本身也可以吸收一部分NH4+，NH4+进入植物后通过氨化反应将其去除，合成蛋白质、氨基酸、酶等有机氮，消除其对植物的毒害作用，然后通过收割植物去除．污水中无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的A TP、DNA等有机成分，通过植物的收割而从系统中去除[15]有研究表明，香蒲每年每公顷可吸收2 630 kg 氮、403 kg磷和4 570 kg钾

．

[16]．对不同水生植物如凤眼莲、香蒲和糜稷[17]、香蒲、菖蒲[18]、芦苇、水葱、香蒲、千屈菜[19]、芦苇[20] 的研究表明，水生植物对硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、铵等有很好的去除效果．除营养元素外，大型水生植物还可吸收铅、镉、砷、汞和铬等重金属，以金属螯合物的形式蓄积于植物体内的某些部位，通过植物的产氧作用使根区含氧量增加，促进污水重金属的氧化和沉降，还可通过植物挥发、甲基化等作用达到对污水和受污染土壤的生物修复．重金属在一般植物中的积累量为0.1~100 μg/g[21]，研究发现，凤眼莲可以富集铜、铅、镉、铬、汞、锌和银[17，22]．香蒲对铅、锌、铜、镉吸收的绝对量分别为128、1 375、28、120 mg/kg [23]．风车草能吸收富集水体中30%的铜和锰，对锌、镉、铅的富集也在5%~15%[24]．芦苇净化Pb、Mn、Cr的能力分别是80.18%、94.54%和100%，槐叶、细绿萍、泽泻、狭叶慈菇、荇菜、美人蕉、红蛋等对Cd、As、Hg、Zn等重金属均有一定的吸收净化作用[25-26]．有机污染物的去除是湿地植物通过吸收积累非毒性代谢物，强化根际的矿化作用，以及氧化-还原反应、水解反应来实现无毒[27] 和达到提高病原体去除率的效果[28-29]

1.2.2 间接净化作用

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污染物中有机物和氮的降解需要微生物和氧的参与，生长在湿地中的挺水植物进行光合作用产